La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

Modélisation et simulation découlements diphasiques chargés de particules polydispersées nanométriques dans les MPS à laide dune méthode eulérienne dite.

Présentations similaires


Présentation au sujet: "Modélisation et simulation découlements diphasiques chargés de particules polydispersées nanométriques dans les MPS à laide dune méthode eulérienne dite."— Transcription de la présentation:

1 Modélisation et simulation découlements diphasiques chargés de particules polydispersées nanométriques dans les MPS à laide dune méthode eulérienne dite « multi-fluide » François DOISNEAU Doctorant 2 ème année ONERA, DEFA/PrS Directeurs de thèse : Marc MASSOT, Frédérique LAURENT-NEGRE (EM2C) Encadrant ONERA : Joël DUPAYS (DEFA - Unité Propulsion Solide)

2 DOISNEAU DEFA – JDD ONERA 2011 Plan Contexte Objectifs Modèles Eulériens pour les Sprays Validation dune méthode avec Coalescence Vers le nanométrique Conclusions Perspectives 2

3 DOISNEAU DEFA – JDD ONERA Contexte – La Propulsion Solide Moteur à Propergol Solide (boosters de fusée, missiles…) : Aluminium => augmentation de limpulsion spécifique Combustion des particules daluminium => alumine liquide (Al 2 O 3 ) Gouttes polydispersées (les plus petites sont micrométriques Dupays 96 ) Interaction forte avec lécoulement => dégradation des performances du MPS. Problèmes/sujets de recherches Simoes 08 : Influence sur les instabilités dans la chambre, Pertes dimpulsion spécifique dues à linertie des gouttes dans la tuyère, Erosion de la structure interne par criblage, Flaque dalumine dans le fond arrière de certains moteurs, Rayonnement des gouttes dans le jet de sortie de tuyère. Combustion de propergol en bombe (ONERA) Boosters P230 au décollage dAriane 5 Formation de la flaque dalumine dans le fond arrière

4 DOISNEAU DEFA – JDD ONERA Objectifs de la thèse Idée de départ : Les industriels de la propulsion supposent quavec une granulométrie plus fine (tailles submicroniques), les gouttes seront mieux évacuées : Formulation du propergol et combustion? non traité évacuation de lalumine? (formation de la flaque, érosion) pertes dimpulsion? instabilités? Intensification du phénomène de coalescence? On dispose doutils numériques pour les écoulements diphasiques plus ou moins adaptés à la propulsion solide : Discussion et amélioration de ces outils Ajout de modélisation « nano » pour répondre aux premières questions

5 DOISNEAU DEFA – JDD ONERA Plan Partie I : Modèles de sprays : méthodes Eulériennes « Multi-Fluides »

6 DOISNEAU DEFA – JDD ONERA 2011 transport libre évaporation traînée échanges de chaleur Collisions (coalescence…) 6 Sprays I – Approche cinétique Caractéristiques des Sprays : interactions gaz-gouttes (traînée, évaporation, chauffage) interaction gouttes-gouttes (coalescence, rebond, fragmentation) autres questions monophasiques (turbulence…) Choix dun modèle cinétique : traitement dun grand nombre de gouttes, chacune ayant peu de propriétés description statistique du spray à travers sa fonction de distribution satisfait une équation de transport de type Boltzmann : De la phase séparée à la phase dispersée (CORIA) coalescence densité des partenaires de collision paramètres de collision taille de la goutte

7 DOISNEAU DEFA – JDD ONERA 2011 Sprays II – Méthode « Multi-Fluide » Eulérienne 7 Couplage taille-vitesse : (choix = surface ) Discrétisation des tailles : (volumes finis) Vitesse unique par section : Taille par section : (Ordre 2, Dufour 05 ) Sections (Ordre 2) Sections (Ordre 1) Multi-Fluide (proposée par Massot et Laurent 01 et 04 ) :

8 DOISNEAU DEFA – JDD ONERA 2011 Moments en taille éq. de conservation (type fluide sans pression) pour chaque section k Sprays III – Méthode « Multi-Fluide » Eulérienne 8 Transferts dans lespace des phases (évaporation) n s s k-1 section (limites fxes, vitesse unique) s k coalescence couplage au gaz Ordre 1 Ordre 2

9 DOISNEAU DEFA – JDD ONERA Termes sources de coalescence : création et disparition de nombre, masse, qdm Entre deux sections i et j pour former k : NDF iNDF j Section efficace Efficacités de collision/coalescence Différence de vitesse Masse avec ~3.N 2 calculs dintégrale double à chaque pas de temps! Sprays IV – Coalescence « Multi-Fluide »

10 DOISNEAU DEFA – JDD ONERA 2011 Sprays V – Outils numériques Code de recherche (labo EM2C) : configuration géométrique unique : tuyère conique divergente méthode « Multi-Fluide » avec reconstruction des tailles à lordre deux méthode « Multi-Fluide » à lordre un pour comparaison Code industriel CEDRE (ONERA) : Plate-forme logicielle 3D multiphysique à maillages non structurés SPIREE : méthode « Multi-Fluide » avec reconstruction des tailles à lordre deux SPARTE : solveur diphasique Lagrangien 10 Simulation CEDRE multi-fluide dans le cas TEP Configuration géométrique du code de recherche

11 DOISNEAU DEFA – JDD ONERA Plan Partie II : Validation du modèle de coalescence de la méthode Multi-Fluide Eulérienne dordre 2* *résultats présentés àlICMF 2010 et à soumettre dans JCP 2011

12 DOISNEAU DEFA – JDD ONERA 2011 Coalescence I – Couplage taille/dynamique 12 injection lognormale sortie après transport et coalescence Simulation de linjection lognormale dans une tuyère avec traînée et coalescence (code de recherche) Validation de la méthode dordre 2 Mise en évidence du rôle de la polydispersion Compromis temps/précision pour la propulsion solide

13 DOISNEAU DEFA – JDD ONERA 2011 Coalescence I – Couplage taille/dynamique 13 Nombre critique de sections (cas de coalescence intensifié) :

14 DOISNEAU DEFA – JDD ONERA 2011 Coalescence II – Distributions raides Simulation de la croissance dune goutte parcourant un brouillard (code de recherche) Modèles defficacité de collision Validation par lexpérience de DHerbigny 01 Validation par solution analytique approchée 14 Expérience de DHerbigny (ONERA) Importance des lois defficacité de collision r r m m + film

15 DOISNEAU DEFA – JDD ONERA 2011 Coalescence II – Distributions raides 15 Distribution de taille à différentes hauteurs (rouge : ordre 1; vert : ordre 2) Mise en évidence de la diffusion numérique dans lespace des phases Rayons (microns)

16 DOISNEAU DEFA – JDD ONERA Cas du TEP (stationnaire) : 2D axi, injection bimodale pariétale ET fond Coalescence satisfaisante Bonne comparaison avec le lagrangien Comparaison SPIREE/SPARTE Diamètre moyen (μm) et trajectoires des particules Ecart relatif sur le nombre de Mach (%) Eulerien Lagrangien Champs de fraction volumique (s.d.) Coalescence III – Cas de la propulsion solide

17 DOISNEAU DEFA – JDD ONERA Cas du LP10 (instationnaire) : 2D axi, mailles Injection dune distribution lognormale de particules de zircone Simulation : 3 sections Pas de loi defficacité ~10h sur 32 cœurs Nehalem Coalescence III – Cas de la propulsion solide

18 DOISNEAU DEFA – JDD ONERA Norme du rotationnel (rad/s) section 3 section 2 section 1 section 3 section 2 section 1 Coalescence III – Cas de la propulsion solide Diamètre moyen (µm) Fraction volumique par section (s.d.)

19 DOISNEAU DEFA – JDD ONERA Spectre de pression (fond avant et fond arrière) 622 Hz 1245 Hz 1867 Hz FFT sur points, résolution fréquentielle de 6 Hz Fréquence réduite de 25 Hz et niveaux FAV réduits de 35% par rapport au cas de référence (3 sections sans coalescence) Coalescence III – Cas de la propulsion solide

20 DOISNEAU DEFA – JDD ONERA Comportement très satisfaisant Temps calcul raisonnables Algorithme efficace Solveur robuste Validation à poursuivre en effectuant des comparaisons croisées eulérien-lagrangien (notamment LP10) Limitations actuelles du solveur « Multi-Fluide » Restreint à des gouttes inertes (pas de termes sources de transfert de masse) Fragmentation en cours de développement (A. Murrone) Restreint à des gouttes > micron Une seule vitesse par section ( Chaisemartin 09, Kah 10 ) Coalescence IV – Conclusions

21 DOISNEAU DEFA – JDD ONERA Plan Partie III : Vers le nanométrique

22 DOISNEAU DEFA – JDD ONERA 2011 Nanométrique I – Phénomènes physiques Physique propre à léchelle nanométrique : Diffusion Mouvement brownien Corrections Forces Thermophorèse Autres (barophorèse, diffosiophorèse, photophorèse…) Coalescence/Agglomération Brownienne Nouvelles lois defficacité Pas dinertie (a priori) 22 Force de thermophorèse Agglomération colloïdale Diffusion brownienne

23 DOISNEAU DEFA – JDD ONERA 2011 Nanométrique I – Phénomènes physiques Etude bibliographique, problème de transversalité Nanotechnologies Mécanique, structures, microélectronique Mansouri 05 Nanotubes Sécurité Sprays Diffusion, agglomération Friedlander 00 Dépôt Ahmadi 09 Théorie cinétique Mouvement brownien : Einstein 1905, Cunningham 1910 Thermophorese : Waldman 66, Talbot 80 Colloïdes (agglomération) Potentiel Zeta : Hunter non adapté empirique lourd en solution

24 DOISNEAU DEFA – JDD ONERA 2011 Nanométrique II – Coalescence brownienne Coalescence dans le cas « dispersion en vitesse » Modèle type « Multi-Fluide » Profil gaussien des vitesses (démontré à partir de léquation de Fokker-Planck) Calcul des intégrales de collision Codage et simulation 24 Simulation de la coalescence due à une dispersion arbitraire Application à la coalescence brownienne Extension aux cas turbulents? Intégrale de collision adimensionnée fonction du différentiel de vitesse (pour différentes dispersions)

25 DOISNEAU DEFA – JDD ONERA 2011 Nanométrique III – Perspectives Modèle nanométrique complet (approche cinétique) dériver la forme des termes de force des principes premiers intégrer la coalescence brownienne déterminer le domaine de validité en taille MF nano (sans inertie, diffusions et coalescence brownienne) 25 Modèle fédérateur unifier lapproche sur toutes les gammes de tailles dintérêt traiter déventuels cas intermédiaires coupler la méthode MF dordre deux (résolue en quantité de mouvement) avec le MF nano Lien avec la turbulence ? (Reeks 88)

26 DOISNEAU DEFA – JDD ONERA 2011 Conclusion Générale Etude dun modèle sous tous ses aspects pour la propulsion solide Validations variées (tuyère 2D, expérience, TEP, LP10) Complémentarité des travaux : Modélisation Analyse numérique Simulations appliquées Perspective : Méthode numérique pour le couplage Gaz-Gouttes splitting avec solveurs avancés transport gaz et gouttes résolution rigoureuse du système couplé local validation : acoustique analytique Temkin 66

27 DOISNEAU DEFA – JDD ONERA 2011 Références I [1] J. Dupays. Contribution à létude du rôle de la phase condensée dans la stabilité dun propulseur à propergol solide pour lanceur spatial. PhD thesis, Institut National Polytechnique de Toulouse, [2] M. Simoes. Modélisation eulérienne de la phase dispersée dans les moteurs à propergol solide, avec prise en compte de la pression particulaire. PhD thesis, INP Toulouse, [3] M. Massot, F. Laurent, S. de Chaisemartin, L. Fréret, and D. Kah. Eulerian Multi-Fluid models: modeling and numerical methods. In Modelling and Computation of Nanoparticles in Fluid Flows, Lectures of the von Karman Institute. NATO RTO AVT 169, [4] F. Laurent, M. Massot, and P. Villedieu. Eulerian Multi-Fluid modeling for the numerical simulation of coalescence in polydisperse dense liquid spray, J. Comput. Phys., 194(2):505– 543, [5] G. Dufour. Modélisation Multi-Fluide eulérienne pour les écoulements diphasiques à inclusions dispersées. PhD thesis, Université Toulouse III, [6] F. Doisneau, F. Laurent, A. Murrone, J. Dupays, and M. Massot. Optimal Eulerian model for the simulation of dynamics and coalescence of alumina particles in solid propellant combustion. In Proceedings of the 7 th International Conference on Multiphase Flows, ICMF 2010, pages 115, Tampa - Florida USA, [7] F. Doisneau, F. Laurent, A. Murrone, J. Dupays, and M. Massot. Evaluation of Eulerian Multi-Fluid models for the simulation of dynamics and coalescence of particles in solid propellant combustion. submitted to J. of Comp. Physics,

28 DOISNEAU DEFA – JDD ONERA 2011 Références II [8] F. X. DHerbigny and P. Villedieu. Etude expérimentale et numérique pour la validation dun modèle de coalescence. Technical Report RF1/05166 DMAE, ONERA, [9] G. Strang. On the construction and comparison of difference schemes. SIAM J. Num. Anal., 5: , [10]S. Descombes and M. Massot. Operator splitting for nonlinear reaction-diffusion systems with an entropic structure : singular perturbation and order reduction. Numer. Math., 97(4): , [11] J. X. Qiu and C. W. Shu. On the construction, comparison, and local characteristic decomposition for high-order central WENO schemes. J. of Comp. Physics, 183: , [12] F. Bouchut, S. Jin, and X. Li. Numerical approximations of pressureless and isothermal gas dynamics. SIAM J. Num. Anal., 41: , [13] Hairer, E. and G. Wanner (1996). Solving ordinary differential equations. II. Berlin: Springer-Verlag. Stiff and differential-algebraic problems, second revised edition. 96, 97, 98, 99, 168, 169 [14] S. Temkin and R. Dobbins. Attenuation and dispersion of sound by particulate-relaxation processes. The Journal of the Acoustical Society of America, 40(2), [15] S. Ballereau, F. Godfroy, J.F. Guéry, and D. Ribereau. Assessment on analysis and prediction method applied on thrust oscillations of ariane 5 solid rocket motor. AIAA Paper , July In AIAA/ASME/SAE/ASEE 39th Joint Propulsion Conference and Exhibit, Huntsville, AL. [16] B. Graille, T. Magin, and M. Massot, Kinetic theory of plasmas : Translational energy. Mathematical Models and Methods in Applied Sciences,

29 DOISNEAU DEFA – JDD ONERA 2011 Nanométrique IV – Modèle fédérateur (HP) Modèle cinétique dun mélange diphasique nanométrique inspiration : théorie cinétique translationnelle pour les plasmas (Graille, Magin et Massot 2009) modélisation cinétique des gouttes ET du gaz couplage gaz-gouttes rigoureux (collisions classiques) approche unifiée nano/micro mouvement brownien ET effets hors équilibre du gaz Caractéristiques : une équation de Boltzmann par phase séparation des échelles de masse particulaire (ε=10 3 pour 10nm) densité de nombre de corpuscules (rapport ε 2 ) Résultats acquis équilibre maxwellien du gaz obtention du premier niveau de couplage gaz-particules expression des termes recherchés (non interprétée) Pour terminer le modèle : validation ou correction des hypothèses résolution et interprétation (comparaison aux modèles empiriques de la littérature) 29 Objectifs

30 DOISNEAU DEFA – JDD ONERA Plan Partie IV : (hors présentation) Méthodes numériques pour le couplage Gaz-Gouttes

31 DOISNEAU DEFA – JDD ONERA 2011 Couplage I – Problème X part ~30% Couplage fort gaz-gouttes Cas non coalescent :

32 DOISNEAU DEFA – JDD ONERA 2011 Couplage II – Splitting Strang [9,10] : ordre 2 (pour des schémas au moins dordre 2) avec les systèmes découplés :

33 DOISNEAU DEFA – JDD ONERA 2011 Couplage III – Outil numérique Développement dun code de recherche 1D : transport gaz : WENO3 [11] transport liquide : Bouchut ordre 2 [12] couplage : RADAU5 [13] Validation par comparaison : résolution directe solution analytique dacoustique linéaire [14] Perspectives : cas damplification dinstabilités par la phase dispersée [15] acoustique non-linéaire


Télécharger ppt "Modélisation et simulation découlements diphasiques chargés de particules polydispersées nanométriques dans les MPS à laide dune méthode eulérienne dite."

Présentations similaires


Annonces Google